极目新闻记者 张屏

通讯员 李雄风 李禾 李明洋

近日，湖北工业大学生物工程与食品学院带领的HBUT-China团队利用微生物细胞工厂，结合合成生物学与代谢工程技术，成功开发CRISPR-MAD7（Cas12a）基因编辑系统，改造了谷氨酸棒杆菌，使秸秆生物基有效转化成高附加值产物番茄红素，将“生态包袱”变为“绿色财富”。由于这一创新性的项目，该团队获得了2023国际遗传工程机器大赛（iGEM）金奖。

据了解， CRISPR-MAD7（Cas12a）基因编辑系统包含两个关键组成部分，一种是行使DNA双链切割功能的Cas蛋白MAD7，而另一种则是具有导向功能的crRNA。简而言之，CRISPR-MAD7（Cas12a）技术就像是一个办公软件上的“查找和替换”工具。科学家可以通过设计特异的RNA分子，使其能够识别并结合到基因组中特定的位置。随后，Cas蛋白MAD7会被引导到这个特定位置，对该位置上的DNA进行切割。科学家还发现细胞可以利用自身的修复机制，对切割的DNA进行修复，从而实现对基因的编辑。“利用这个系统，我们可以重新设计菌株的遗传路线，改变菌株的生长和生产特性，使微生物细胞更高效地生产目的产物。”该项目学生负责人江益明说。

为了更好地将这一系统应用于菌株改造，优化系统所需的表达元件是关键步骤。HBUT-China团队的王慧泽、王念念、谢宏森、张倪萌等同学每周都投入大量时间查阅文献，并与指导老师代俊、姚兰、郑学云等进行深入讨论。经过半年的不懈努力，团队获得了理想的实验结果。

“每一个小的变量的改变就需要从头开始实验，已经记不清有多少次‘重来’，但我们不厌其烦，反复对照，最终功夫不负有心人，我们的编辑系统在单个基因或者大片段敲除上编辑效率非常高。依靠CRISPR-MAD7系统，我们对谷氨酸棒杆菌进行了一系列改造，成功构建了高产的番茄红素菌株。相对于原始菌株，我们的重组菌株产量提高了134倍。”王念念说。

在遴选培养谷氨酸棒状杆菌的碳源时，他们想到了秸秆。“我们在农村地区调研时，发现有大量未被有效利用的秸秆，且不好处理，我们想，不如就用秸秆生物基高产番茄红素。”江益明介绍，通过实验，他们发现秸秆先后经过酸解和酶解处理，能够有效地产生葡萄糖，且这种秸秆葡萄糖作为培养基，能使被改造过的谷氨酸棒状杆菌产生更多的番茄红素。

“番茄红素可添加到药品、保健品、化妆品中去，有广阔的应用前景。以秸秆为菌群的‘养分’生产高值产品，为环境保护和秸秆处理提供了新思路。”指导老师郑学云说，为让更多的人了解神奇的合成生物学，感受它对社会和生活的积极影响，团队以教育推广、慈善义卖、公益捐赠、知识科普等形式，向更多人进行宣传。

研究中还产生了一个受欢迎的“副产品”：能识别菌落培养皿图片并分类计算菌落数和菌落颜色特征的ColoVision软件。“实验组同学之前多用一些手机APP来计数，很不方便。”开发者、湖北工业大学理学院学生梁天一和计算机学院学生韩义说，“在指导老师的帮助下，我们运用数字图像处理、机器学习以及Web开发的相关知识，花4个月迭代了3版软件，达到了较满意效果。在法国巴黎比赛时，很多其他国家的选手来试用这款软件，也说不错，我们计划进一步优化并开源这一工具，让更多人受益，这也是在践行iGEM比赛的包容性原则。”